JP4730159B2 - Sliding member and manufacturing method thereof - Google Patents
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Description
本発明は、無潤滑環境下および水,有機溶剤,燃料,油潤滑環境下で使用され、低摩擦な硬質炭素被膜を備えた摺動部材とその製造方法に関する。 The present invention, unlubricated condition and under water, organic solvents, fuels, are used under an oil lubricated environment, relates to a sliding member and a manufacturing method thereof having a low friction hard carbon coating.
硬質炭素被膜は、一般的に、高硬度で表面が平滑であり、耐摩擦性に優れ、その固体潤滑性から低摩擦係数で優れた低摩擦性能を有している。 The hard carbon coating generally has a high hardness, a smooth surface, excellent friction resistance, and excellent low friction performance with a low coefficient of friction due to its solid lubricity.
そして、無潤滑環境下において、通常の平滑な鋼材表面の摩擦係数が0.5〜1.0、従来の表面処理材であるNi−PめっきやCrめっき、TiNコーティングやCrNコーティング等の表面の摩擦係数が約0.4 であるのに対し、硬質炭素被膜の表面の摩擦係数は、約0.12である。 In a non-lubricated environment, the friction coefficient of the normal smooth steel surface is 0.5 to 1.0, and the surface treatment materials such as Ni-P plating, Cr plating, TiN coating, and CrN coating, which are conventional surface treatment materials, are used. The coefficient of friction is about 0.4, whereas the coefficient of friction on the surface of the hard carbon coating is about 0.12.
現在、これらの優れた特性を活かして、ドリル刃をはじめとする切削工具,研削工具等の加工治具や塑性加工用金型,バルブコックやキャプスタンローラのような無潤滑環境下で使用される摺動部材等への応用が図られている。 Currently, using these excellent characteristics, it is used in a non-lubricated environment such as cutting tools such as drill blades, grinding tools, etc., plastic working dies, valve cocks and capstan rollers. Application to sliding members and the like.
一方、エネルギー消費や環境の面から可能な限りの機械的損失の低減が望まれている内燃機関などの機械部品においては、現在、潤滑油での摺動が主流となっている。しかしながら、無潤滑環境下でこれらの固体潤滑性を有する硬質炭素被膜により低摩擦化が図れれば、摺動部材において潤滑油が枯渇した場合にも、機械部品への負荷が低減できるため好ましく、また、将来的には潤滑油の削減が可能となるため、地球環境への配慮に対しても好ましい。 On the other hand, in mechanical parts such as an internal combustion engine in which reduction of mechanical loss as much as possible is desired from the viewpoint of energy consumption and environment, sliding with lubricating oil is currently the mainstream. However, if low friction is achieved by the hard carbon coating having these solid lubricity in a non-lubricated environment, it is preferable because the load on the machine parts can be reduced even when the lubricating oil is exhausted in the sliding member, Moreover, since it becomes possible to reduce lubricating oil in the future, it is preferable for consideration of the global environment.
こうした硬質炭素被膜に金属元素を5〜70at%含有させ、潤滑油での固体潤滑性を低下させる技術が、特許文献1に記載されている。
しかし、特許文献1に記載される技術では、無潤滑環境下における摺動において、摺動部材への負荷によって硬質炭素被膜が剥離してしまうという技術課題に関しては言及されていない。したがって、従来技術においては、特に、無潤滑環境下における硬質炭素被膜が本来保有する耐摩擦性を活かすことができないという課題があった。
However, the technique described in
そこで、本発明は、硬質炭素被膜が本来保有する耐摩擦性を活かすことができる硬質炭素被膜を備え摺動部材とその製造方法を提供することにある。 Then, this invention is providing the sliding member provided with the hard carbon film which can utilize the friction resistance which a hard carbon film originally has, and its manufacturing method .
本発明の摺動部材の製造方法は、基材上に、アンバランスト・マグネトロン・スパッタリング(UBMS)法で、0.5at%以上4.5at%以下のアルミニウム元素を含むダイヤモンドライクカーボン膜からなる硬質炭素被膜を形成し、前記硬質炭素皮膜の表面に露出したアルミニウム元素を、大気中の酸素や水と反応させて、アルミニウム酸化物および/またはアルミニウム水酸化物を形成することを特徴とする。The manufacturing method of the sliding member of the present invention comprises a diamond-like carbon film containing 0.5 to 4.5 at% aluminum element on a base material by an unbalanced magnetron sputtering (UBMS) method. A hard carbon film is formed, and an aluminum element exposed on the surface of the hard carbon film is reacted with oxygen and water in the atmosphere to form aluminum oxide and / or aluminum hydroxide.
また、硬質炭素被膜の厚さは、0.5μm以上10.0μm以下であり、硬質炭素被膜の表面粗さは、0.1μm以下である。 Moreover, the thickness of the hard carbon coating is 0.5 μm or more and 10.0 μm or less, and the surface roughness of the hard carbon coating is 0.1 μm or less.
本発明の摺動部材は、上記の製造方法により得られる。基材上に形成された硬質炭素被膜のヤング率は、50GPa以上180GPa以下であることが好ましい。The sliding member of this invention is obtained by said manufacturing method. The Young's modulus of the hard carbon film formed on the substrate is preferably 50 GPa or more and 180 GPa or less.
一方、基材は、Fe,Cr及びMoを含有する合金からなることが好ましい。さらには、Fe,Cr及びMoを含有する合金に、Cr層が形成されることが好ましい。さらには、Cr層に、CrとCとが混合するCr/C層が形成されることが好ましい。 On the other hand, the substrate is preferably made of an alloy containing Fe, Cr, and Mo. Furthermore, it is preferable that a Cr layer is formed on an alloy containing Fe, Cr, and Mo. Furthermore, it is preferable that a Cr / C layer in which Cr and C are mixed is formed in the Cr layer.
また、ここで用いられる硬質炭素被膜は、sp2結合炭素とsp3結合炭素とが混在する硬質炭素被膜であることが好ましい。 The hard carbon coating used here is preferably a hard carbon coating in which sp 2 bonded carbon and sp 3 bonded carbon are mixed.
本発明は、硬質炭素被膜が本来保有する耐摩擦性を活かすことができる硬質炭素被膜を提供することができる。 The present invention can provide a hard carbon coating that can make use of the friction resistance inherently possessed by the hard carbon coating.
以下、本発明を実施例により詳細に説明するが、本発明は以下に示す実施例に限定されない。 EXAMPLES Hereinafter, although an Example demonstrates this invention in detail, this invention is not limited to the Example shown below.
本発明で示す硬質炭素被膜は、無潤滑環境下で使用される機械部品等の摺動部材に適用可能である。 The hard carbon film shown in the present invention can be applied to sliding members such as machine parts used in a non-lubricated environment.
図1に示すような直径21.5mm、厚さ5.2mmの円板基材2に、硬質炭素被膜3をコーティングした試験片1により摩擦試験を行った。
A friction test was performed using a
このときの試験片1は、表1に示すような仕様(被膜処理,成膜法,Al含有量,膜厚)で円板基材2に、硬質炭素被膜3を形成した。
The
硬質炭素被膜3は、円板基材2上にアンバランスト・マグネトロン・スパッタリング
(UBMS)法を用いてダイヤモンドライクカーボン(DLC)の被膜を形成した。
As the
UBMS法とは、ターゲットの背面側に配置される磁極のバランスをターゲットの中心部と周縁部とで意図的に崩し、非平衡とすることでターゲットの周縁部の磁極からの磁力線の一部を基材まで伸ばす。そして、ターゲットの近傍に収束していたプラズマが磁力線に沿って基材の近傍まで拡散しやすくする。これによって被膜形成中に基材に照射されるイオン量を増やすことができ、結果として、基材に緻密な被膜を形成することができること特徴とした成膜方法である。 In the UBMS method, the balance of the magnetic poles arranged on the back side of the target is intentionally broken at the center and the peripheral part of the target, and a part of the lines of magnetic force from the magnetic poles at the peripheral part of the target is made unbalanced Extend to the substrate. Then, the plasma that has converged in the vicinity of the target is easily diffused to the vicinity of the base material along the magnetic field lines. This is a film forming method characterized in that the amount of ions irradiated onto the substrate during film formation can be increased, and as a result, a dense film can be formed on the substrate.
硬質炭素被膜3を形成した後、被膜表面のナノインデンテーション法(ISO14577)による評価および摩擦試験評価を行った。
After the
ナノインデンテーション法(ISO14577)による評価は、対稜角115度のベルコビッチ三角錐圧子を硬質炭素被膜3の表面に10秒間かけて最大荷重3mNまで押し込み、最大荷重で1秒間保持し、その後、10秒間かけて除荷する条件で行った。
Evaluation by the nano-indentation method (ISO14577) is performed by pushing a Belkovic triangular pyramid indenter with an opposite edge angle of 115 degrees into the surface of the
この評価により押し込みヤング率を算出した。 The indentation Young's modulus was calculated from this evaluation.
摩擦試験の評価装置としては、図2に示すようなボールオンディスクタイプの摩耗試験機11を用いて摩擦係数並びに硬質炭素被膜の剥離荷重(比較例1の場合には基材の焼付荷重)を計測した。
As an evaluation apparatus for the friction test, the friction coefficient and the peeling load of the hard carbon film (in the case of Comparative Example 1, the baking load of the base material) are obtained using a ball-on-disk
この装置は、回転軸12に固定されたワークテーブル13が配置され、このワークテーブル13に試験片1を設置し、この試験片1の上面側に直径6mmの金属ボール(高炭素クロム軸受鋼鋼材,JIS SUJ2ボール)14を試験片1の相手材として用いる。なお、ここで金属ボールに用いる金属は、軸受に用いるような鋼からなる。
In this apparatus, a work table 13 fixed to a rotating
この装置において、スプリング15によって、荷重Pを98N〜2452Nにおいて、1分毎に98Nずつ段階的に負荷を増やして押し付けるように構成する。
In this apparatus, the
このとき、金属ボール14は、ホルダ16で回転しないように固定されている。そして、回転軸12が、モータ17に連結されて金属ボール14に対して、相対滑り速度30mm/sec で回転駆動され、金属ボール14と試験片1との間で発生する摩擦力に応じたトルクをロードセル18で計測し、摩擦係数を算出した。
At this time, the
なお、金属ボール14は、図3に示すように中心より半径8mmの位置に1個配置する。
One
硬質炭素被膜3の剥離荷重(比較例1の場合には基材の焼付荷重)は、試験片1と金属ボール14との摩擦係数が急激に上昇した時の試験荷重とした。また、この摩擦試験は無潤滑状態で常温常湿環境下(室温:約25℃,湿度:約60%RH)で実施した。
The peeling load of the hard carbon coating 3 (in the case of Comparative Example 1, the baking load of the base material) was the test load when the friction coefficient between the
Fe,Cr,Moを含有している合金(クロムモリブデン鋼鋼材,JIS SCM415)よりなる円板基材2の表面の硬さが、ロックウェルCスケール(HRC)で58以上となるように、浸炭処理を施し、表面粗さ(Ra)を0.1μm以下に、仕上げ加工した。
Carburization so that the hardness of the surface of the
その後、不活性ガスと炭化水素ガスとを導入しながら、UBMS法で硬質炭素被膜(以下「被膜」と省略して記載する)3のアルミニウム元素の含有量が0.65at% となるように成膜を実施した。 Thereafter, while introducing an inert gas and a hydrocarbon gas, the hard carbon coating (hereinafter abbreviated as “coating”) 3 is made to have a content of 0.65 at% by the UBMS method. Membrane was performed.
成膜後の被膜3のRaは、0.021μmであった。被膜3のヤング率は、65.94
GPaであった。また、被膜3と金属ボール14との摩擦試験において、摩擦係数は
0.052、被膜3の剥離荷重は、2452N以上であった。
Ra of the
It was GPa. Further, in the friction test between the
本実施例における被膜を無潤滑環境下で摺動させた場合、摩擦係数は0.1 以下であり、被膜のない鋼材同士や従来の表面処理材に比べて摩擦係数を約87%から95%、従来の被膜に比べて摩擦係数を約57%低減でき、その上、被膜の剥離荷重も490N以上と大きいため、被膜の低摩擦性能を活かすことができることがわかった。 When the coating in this example is slid in a non-lubricated environment, the friction coefficient is 0.1 or less, and the friction coefficient is about 87% to 95% compared to steel materials without coating or conventional surface treatment materials. Further, it was found that the friction coefficient can be reduced by about 57% compared to the conventional coating film, and furthermore, since the peeling load of the coating film is as large as 490 N or more, the low friction performance of the coating film can be utilized.
本実施例における被膜を機械装置の無潤滑摺動部材に適用した場合、摺動部材が関わる機械装置への負荷が低減でき、その結果、エネルギー効率の高い機械装置を提供できる。 When the coating in the present embodiment is applied to a non-lubricated sliding member of a mechanical device, the load on the mechanical device involving the sliding member can be reduced, and as a result, a mechanical device with high energy efficiency can be provided.
また、本実施例の被膜は無潤滑環境下での摺動に対応しているため、潤滑油を使用している機械装置の摺動部材において、潤滑油が枯渇した場合の機械装置としての信頼性向上に貢献でき、一方では、潤滑油の削減を図ることができ、結果として環境にやさしい機械装置を提供できる。 In addition, since the coating film of this embodiment supports sliding in a non-lubricated environment, the reliability of the mechanical device when the lubricating oil is depleted in the sliding member of the mechanical device using the lubricating oil. On the other hand, the lubricating oil can be reduced, and as a result, an environmentally friendly mechanical device can be provided.
本実施例の被膜は、基材からの剥離が発生しないため、基材が剥き出しとなることもなく、被膜の低摩擦性を活かすことができる。 Since the coating film of this example does not peel off from the substrate, the substrate is not exposed and the low friction property of the coating film can be utilized.
本実施例の被膜は、グラファイトに代表される炭素結合であるsp2結合炭素とダイヤモンドに代表される炭素結合であるsp3結合炭素とが混在する硬質炭素被膜である。 The film of this example is a hard carbon film in which sp 2 bonded carbon, which is a carbon bond typified by graphite, and sp 3 bonded carbon, which is a carbon bond typified by diamond, are mixed.
この被膜の表面層や内部にアルミニウム元素を含むものである。その含有量は0.5
at%以上4.5at%以下、好ましくは0.6at%以上1.9at%以下である。
The surface layer and the inside of this coating contain aluminum element. Its content is 0.5
At% or more and 4.5 at% or less, preferably 0.6 at% or more and 1.9 at% or less.
なお、アルミニウム元素は、金属アルミニウム,アルミニウム硼化物,アルミニウム炭化物,アルミニウム窒化物,アルミニウム酸化物,アルミニウム水酸化物のうちから選ばれる少なくとも1種の物質であるが、好ましくはアルミニウム酸化物および/またはアルミニウム水酸化物として存在する。 The aluminum element is at least one substance selected from metallic aluminum, aluminum boride, aluminum carbide, aluminum nitride, aluminum oxide, and aluminum hydroxide, preferably aluminum oxide and / or Present as aluminum hydroxide.
これにより、無潤滑環境下でも耐剥離性と低摩擦係数とを兼ね備えた被膜を提供することができる。 Thereby, it is possible to provide a coating film having both peeling resistance and a low friction coefficient even in a non-lubricated environment.
硬質炭素被膜は、アモルファス状の炭素又は水素化炭素からなる膜であり、アモルファスカーボン又は水素化アモルファスカーボン(a−C:H),ダイヤモンドライクカーボン(DLC)などと呼ばれる。 The hard carbon film is a film made of amorphous carbon or hydrogenated carbon, and is called amorphous carbon, hydrogenated amorphous carbon (aC: H), diamond-like carbon (DLC), or the like.
その形成には、炭化水素ガスをプラズマ分解して成膜するプラズマCVD法,炭素,炭化水素イオンを用いるイオンビーム蒸着法等の気相合成法,グラファイト等をアーク放電により蒸発させ成膜するイオンプレーティング法,不活性ガス雰囲気下でターゲットをスパッタすることによって成膜するスパッタリング法、などが用いられる。 For its formation, plasma CVD method for forming a film by plasma decomposition of hydrocarbon gas, gas phase synthesis method such as ion beam evaporation method using carbon and hydrocarbon ions, ion for forming a film by evaporating graphite etc. by arc discharge A plating method, a sputtering method for forming a film by sputtering a target under an inert gas atmosphere, or the like is used.
こうした本実施例により形成した被膜は、低摩擦性であり、摺動部材に付与することができる。この結果として、無潤滑環境下でも負荷を低減できる摺動部材を提供し、また、通常潤滑油中で摺動させる機械部品において潤滑油が枯渇した時であっても、信頼性を維持することができ、潤滑油の削減を図ることもができる。 Such a coating formed by this example has low friction and can be applied to the sliding member. As a result, a sliding member that can reduce the load even in a non-lubricated environment is provided, and reliability can be maintained even when the lubricating oil is exhausted in a machine part that is normally slid in lubricating oil. It is possible to reduce the lubricating oil.
こうした被膜の表面に露出したアルミニウム元素は、大気中の酸素や水と反応をして、アルミニウム酸化物やアルミニウム水酸化物となるため、被膜に金属元素を含有しているにも関わらず電気的特性として安定した誘電体被膜を提供することも可能である。 The aluminum element exposed on the surface of the coating reacts with oxygen and water in the atmosphere to form aluminum oxide and aluminum hydroxide. It is also possible to provide a dielectric coating that is stable as a characteristic.
また、こうした被膜は、アルミニウム元素を含有しているため、特に、被膜の表面のアルミニウム元素は、アルミニウム酸化物およびアルミニウム水酸化物として存在する。つまり、被膜の表面は、親水性であり、水存在下における摺動で低摩擦化が実現可能であり、更には、水と同じOH基をもつ液体や蒸気(例えばアルコール類)存在下における摺動でも低摩擦化が実現可能であるというメリットがある。 Moreover, since such a film contains an aluminum element, in particular, the aluminum element on the surface of the film exists as an aluminum oxide and an aluminum hydroxide. In other words, the surface of the coating is hydrophilic, and low friction can be realized by sliding in the presence of water. Further, sliding in the presence of a liquid or vapor (for example, alcohols) having the same OH group as water. There is a merit that low friction can be realized even when moving.
なお、本実施例は、被膜にアルミニウム元素が存在することにより、被膜の内部応力が低下するため、基材から剥離しにくくなるという現象を見出したことによる。 In this example, the presence of an aluminum element in the coating reduces the internal stress of the coating, and thus the phenomenon that it is difficult to peel from the substrate is found.
被膜のアルミニウム元素の含有量が0.5at% 未満の場合は、被膜の表面において親水性の由来となるアルミニウム酸化物および/またはアルミニウム水酸化物が微量となるため摩擦低減効果が期待できない。 When the content of the aluminum element in the coating is less than 0.5 at%, the effect of reducing friction cannot be expected because the amount of aluminum oxide and / or aluminum hydroxide derived from hydrophilicity is very small on the surface of the coating.
一方、被膜の表面や内部のアルミニウム元素の含有量が5at%程度以上の場合は、X線光電子分光法(XPS)分析の結果により、アルミニウムの炭化物生成の進行が顕著であることを推測した。つまり、被膜の表面や内部のアルミニウム元素の含有量が5at%程度以上になると、生成されるアルミニウム炭化物量が多くなり過ぎるため、アルミニウム炭化物の脆化により被膜が割れやすくなり、好ましくない。 On the other hand, when the content of the aluminum element on the surface of the coating or inside was about 5 at% or more, it was presumed that the progress of carbide formation of aluminum was remarkable from the result of X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) analysis. That is, when the content of the aluminum element on the surface or inside the coating is about 5 at% or more, the amount of aluminum carbide produced is excessively increased, and the coating is liable to break due to embrittlement of the aluminum carbide.
また、被膜のヤング率は、アルミニウム炭化物の生成によりヤング率が高くなり、180GPaを超えると被膜の割れや剥離が発生し易くなる。また、50GPa未満の場合には、摺動時の耐荷重性が低下する。 Further, the Young's modulus of the coating increases due to the formation of aluminum carbide, and when it exceeds 180 GPa, the coating tends to crack or peel off. Moreover, when it is less than 50 GPa, the load resistance at the time of sliding falls.
被膜に使用されるアルミニウム元素において、特に、アルミニウム酸化物やアルミニウム水酸化物として存在する場合は、OH基をもつ液体や蒸気との親和性が高いため、低摩擦化が実現可能である。 In the aluminum element used for the coating, particularly when it is present as an aluminum oxide or aluminum hydroxide, it has a high affinity with a liquid or vapor having an OH group, so that low friction can be realized.
また、被膜の厚さが、0.5μm 未満の場合は、摺動によって摩滅が起き易く、10
μmを超える場合は、被膜の内部応力が大きくなり剥離が発生し易くなるため好ましくない。被膜の表面は、高硬度であるため、表面粗さが0.1μm を超えて、粗くなるほど相手材を摩耗させることになる。
Further, when the thickness of the coating is less than 0.5 μm, abrasion is likely to occur due to sliding.
If it exceeds μm, the internal stress of the coating becomes large and peeling tends to occur, which is not preferable. Since the surface of the coating has high hardness, the mating material wears as the surface roughness exceeds 0.1 μm and becomes rough.
被膜は、スパッタリング,プラズマCVD,イオンプレーティング等により形成される。好ましくは、被膜は、スパッタリングまたはイオンプレーティングにより形成されるのがよい。 The coating is formed by sputtering, plasma CVD, ion plating, or the like. Preferably, the coating is formed by sputtering or ion plating.
スパッタリングまたはイオンプレーティングの場合、アルミニウムターゲットのスパッタリングによりアルミニウムを被膜に形成することができる。 In the case of sputtering or ion plating, aluminum can be formed into a film by sputtering an aluminum target.
一方、プラズマCVDにおいては、トリメチルアルミニウムに代表される有機アルミニウム化合物をチャンバ内にガスとして導入することにより、アルミニウムを被膜に形成することができる。 On the other hand, in plasma CVD, aluminum can be formed into a film by introducing an organic aluminum compound typified by trimethylaluminum into the chamber as a gas.
また、本実施例がターゲットとしている用途は、耐久性が要求されるような、例えば、自動車用摺動部品、特に、エンジンのシリンダーや、冷蔵庫やエアコン等に使用される冷媒圧縮機やロータリーコンプレッサーのベーン等である。 In addition, the applications targeted by this embodiment are those requiring durability, for example, sliding parts for automobiles, in particular, refrigerant compressors and rotary compressors used in engine cylinders, refrigerators, air conditioners, etc. Vane etc.
JIS SCM415よりなる円板基材2の表面が、HRC58以上となるように浸炭処理を施し、Ra0.1μm 以下に仕上げ加工した後、不活性ガスと炭化水素ガスとを導入しながらUBMS法で被膜3のアルミニウム元素の含有量が0.67at% となるように成膜を実施した。
Carburizing treatment is performed so that the surface of the
成膜後の被膜3のRaは、0.019μmであった。被膜3のヤング率は、164.6
GPaであった。また、被膜3と金属ボール14との摩擦試験において、摩擦係数は、
0.090、被膜3の剥離荷重は981Nであった。
Ra of the
It was GPa. In the friction test between the
The peeling load of 0.090 and the
本実施例における被膜を無潤滑環境下で摺動させた場合、摩擦係数は0.1 以下であり、被膜のない鋼材同士や従来の表面処理材に比べて、摩擦係数を約77%から91%、従来の被膜に比べて摩擦係数を約25%低減でき、その上、被膜の剥離荷重も490N以上と大きいため、被膜の低摩擦性能を活かすことができる。 When the coating film in this example is slid in a non-lubricated environment, the friction coefficient is 0.1 or less, and the friction coefficient is about 77% to 91% compared to steel materials without a coating film or conventional surface treatment materials. %, The coefficient of friction can be reduced by about 25% compared to the conventional film, and the peel load of the film is as large as 490 N or more, so that the low friction performance of the film can be utilized.
本実施例における被膜を機械装置の無潤滑摺動部分に適用した場合、摺動部材が関わる機械装置への負荷が低減でき、その結果、エネルギー効率の高い機械装置を提供できる。また、本実施例の被膜は無潤滑環境下での摺動に対応している。そのため、潤滑油を使用している機械装置の摺動部材において、潤滑油が枯渇した場合の機械装置としての信頼性向上に貢献でき、一方、潤滑油の削減を図ることができ、結果として環境にやさしい機械装置を提供できる。 When the coating in the present embodiment is applied to a non-lubricated sliding portion of a mechanical device, the load on the mechanical device involving the sliding member can be reduced, and as a result, a mechanical device with high energy efficiency can be provided. Further, the coating film of this example is compatible with sliding in a non-lubricated environment. As a result, the sliding member of a mechanical device using lubricating oil can contribute to improving the reliability of the mechanical device when the lubricating oil is depleted, while at the same time reducing the lubricating oil, resulting in the environment Can provide easy-to-use machinery.
JIS SCM415よりなる円板基材2の表面が、HRC58以上となるように浸炭処理を施し、Ra0.1μm 以下に仕上げ加工した後、不活性ガスと炭化水素ガスとを導入しながらUBMS法で被膜3のアルミニウム元素の含有量が1.88at% となるように成膜を実施した。
Carburizing treatment is performed so that the surface of the
成膜後の被膜3のRaは、0.021μmであった。被膜3のヤング率は、158.7
GPaであった。また、被膜3と金属ボール14との摩擦試験において、摩擦係数は
0.046、被膜3の剥離荷重は588Nであった。
Ra of the
It was GPa. In the friction test between the
本実施例における被膜を無潤滑環境下で摺動させた場合、摩擦係数は0.1 以下であり、被膜のない鋼材同士や従来の表面処理材に比べて、摩擦係数を約88%から96%、従来の被膜に比べて摩擦係数を約62%低減でき、その上、被膜の剥離荷重も490N以上と大きいため、被膜の低摩擦性能を活かすことができる。 When the coating in this example is slid in a non-lubricated environment, the coefficient of friction is 0.1 or less, and the coefficient of friction is about 88% to 96% compared to steel materials without coating or conventional surface treatment materials. %, The coefficient of friction can be reduced by about 62% compared to the conventional film, and the peel load of the film is as large as 490 N or more, so that the low friction performance of the film can be utilized.
本実施例における被膜を機械装置の無潤滑摺動部分に適用した場合、摺動部材が関わる機械装置への負荷が低減でき、その結果、エネルギー効率の高い機械装置を提供できる。また、本実施例の被膜は無潤滑環境下での摺動に対応している。そのため、潤滑油を使用している機械装置の摺動部材において、潤滑油が枯渇した場合の機械装置としての信頼性向上に貢献でき、一方、潤滑油の削減を図ることができ、結果として環境にやさしい機械装置を提供できる。 When the coating in the present embodiment is applied to a non-lubricated sliding portion of a mechanical device, the load on the mechanical device involving the sliding member can be reduced, and as a result, a mechanical device with high energy efficiency can be provided. Further, the coating film of this example is compatible with sliding in a non-lubricated environment. As a result, the sliding member of a mechanical device using lubricating oil can contribute to improving the reliability of the mechanical device when the lubricating oil is depleted, while at the same time reducing the lubricating oil, resulting in the environment Can provide easy-to-use machinery.
また、Fe,Cr,Moを含有している合金(クロムモリブデン鋼鋼材,JIS SCM415)よりなる自動車用カムリフタ22の冠面23が、HRC58以上となるように浸炭処理を施し、Ra0.1μm 以下に仕上げ加工した後、本実施例の被膜を不活性ガスと炭化水素ガスとを導入しながらUBMS法でリフタ22の冠面23に適用した。油潤滑環境下でカム24を回転させてカム24とリフタ22の冠面23を摺動させながら、被膜の評価としてフリクショントルク測定および耐久性試験を行った。被膜の評価は、図4に示すような模擬試験装置21を用いて行った。試験条件は、SAE規格:5W−30のエンジンオイル25をカム24上に滴下しながら、カム24を300r/mで回転させ、試験開始2時間後のカムシャフトにかかるトルクを測定した。この試験の後、被膜の剥離の有無を確認した。
In addition, carburizing treatment is performed so that the
評価の結果、トルク値は被膜のないJIS SCM415よりなるリフタにおける一般的なトルク値より約47%低減できた。また冠面23の被膜の剥離は確認されなかった。
As a result of the evaluation, the torque value was reduced by about 47% from a general torque value in a lifter made of JIS SCM415 without a coating. Further, peeling of the coating on the
本実施例における被膜を自動車用カムリフタ22に適用した場合、トルク値が減少するためカム24との摺動負荷を減少させることができる。また、被膜の剥離が発生しないため被膜の低摩擦性能を継続的に活かすことができる。その結果、長期にわたりエネルギー効率の高い自動車を提供できる。
When the coating in the present embodiment is applied to the
JIS SCM415よりなる円板基材2の表面が、HRC58以上となるように浸炭処理を施し、Ra0.1μm 以下に仕上げ加工した後、不活性ガスと炭化水素ガスとを導入しながらUBMS法で被膜3のアルミニウム元素の含有量が4.14at% となるように成膜を実施した。
Carburizing treatment is performed so that the surface of the
成膜後の被膜3のRaは、0.020μmであった。被膜3のヤング率は、80.63
GPaであった。また、被膜3と金属ボール14との摩擦試験において、摩擦係数は
0.093、被膜3の剥離荷重は1079Nであった。
Ra of the
It was GPa. In the friction test between the
本実施例における被膜を無潤滑環境下で摺動させた場合、摩擦係数は0.1 以下であり、被膜のない鋼材同士や従来の表面処理材に比べて、摩擦係数を約77%から91%、従来の被膜に比べて摩擦係数を約22%低減でき、その上、被膜の剥離荷重も490N以上と大きいため、被膜の低摩擦性能を活かすことができる。 When the coating film in this example is slid in a non-lubricated environment, the friction coefficient is 0.1 or less, and the friction coefficient is about 77% to 91% compared to steel materials without a coating film or conventional surface treatment materials. %, The coefficient of friction can be reduced by about 22% compared to the conventional film, and the peeling load of the film is as large as 490 N or more, so that the low friction performance of the film can be utilized.
本実施例における被膜を機械装置の無潤滑摺動部分に適用した場合、摺動部材が関わる機械装置への負荷が低減でき、その結果、エネルギー効率の高い機械装置を提供できる。また、本実施例の被膜は無潤滑環境下での摺動に対応している。そのため、潤滑油を使用している機械装置の摺動部材において、潤滑油が枯渇した場合の機械装置としての信頼性向上に貢献でき、一方潤滑油の削減を図ることができ、結果として、環境にやさしい機械装置を提供できる。 When the coating in the present embodiment is applied to a non-lubricated sliding portion of a mechanical device, the load on the mechanical device involving the sliding member can be reduced, and as a result, a mechanical device with high energy efficiency can be provided. Further, the coating film of this example is compatible with sliding in a non-lubricated environment. Therefore, in the sliding members of machinery that uses lubricating oil, it is possible to contribute to improving the reliability of the machinery when the lubricating oil is depleted, while reducing the lubricating oil, resulting in the environment Can provide easy-to-use machinery.
〔比較例1〕
JIS SCM415よりなる円板基材2の表面が、HRC58以上となるように浸炭処理を施し、Ra0.1μm 以下に仕上げ加工を施した。基材2上に硬質炭素被膜を形成しなかった。
[Comparative Example 1]
Carburizing treatment was performed so that the surface of the
基材2のRaは0.015μmであった。基材2のヤング率は323.8GPaであった。また、基材2と金属ボール14との摩擦試験において、摩擦係数は0.516 、基材2の焼付荷重は98Nであった。
Ra of the
本比較例における被膜のない基材を無潤滑環境下で摺動させた場合、被膜のない鋼材同士の摺動となるため摩擦係数を低減できない。そのため、摺動部材が関わる機械装置への負荷を低減できず、その結果、エネルギー効率の高い機械装置を提供することはできない。また、潤滑油を使用している機械装置の摺動部材において、潤滑油が枯渇した場合の機械装置としての信頼性向上に貢献できず、また、潤滑油の削減を図ることもできないため、環境にやさしい機械装置を提供することはできない。 When the base material without a film in this comparative example is slid in an unlubricated environment, the friction coefficient cannot be reduced because the steel material without a film slides. Therefore, it is not possible to reduce the load on the mechanical device related to the sliding member, and as a result, it is not possible to provide a mechanical device with high energy efficiency. In addition, the sliding members of machinery that use lubricating oil cannot contribute to improving the reliability of machinery when the lubricating oil is depleted, and it is not possible to reduce the lubricating oil. It is not possible to provide an easy-to-use mechanical device.
〔比較例2〕
JIS SCM415よりなる円板基材2の表面が、HRC58以上となるように浸炭処理を施し、Ra0.1μm 以下に仕上げ加工した後、不活性ガスと炭化水素ガスとを導入しながらUBMS法で被膜3のアルミニウム元素の含有率が0.10at% となるように成膜を実施した。
[Comparative Example 2]
Carburizing treatment is performed so that the surface of the
成膜後の被膜3のRaは、0.019μmであった。被膜3のヤング率は、74.13
GPaであった。また、被膜3と金属ボール14との摩擦試験において、摩擦係数は
0.133、被膜3の剥離荷重は2452N以上であった。
Ra of the
It was GPa. Further, in the friction test between the
本比較例における被膜を無潤滑環境下で摺動させた場合、被膜3の耐剥離性については優れているが、従来の被膜に比べて摩擦係数を低減することができない。そのため、潤滑油を使用している機械装置の摺動部分において、環境にやさしい機械装置を提供することはできない。
When the film in this comparative example is slid in an unlubricated environment, the
また、Fe,Cr,Moを含有している合金(クロムモリブデン鋼鋼材,JIS SCM415)よりなる自動車用カムリフタ22の冠面23が、HRC58以上となるように浸炭処理を施し、Ra0.1μm 以下に仕上げ加工した後、本比較例の被膜を不活性ガスと炭化水素ガスとを導入しながらUBMS法で動弁系リフタ22の冠面23に適用した。被膜の評価については実施例3と同様である。
In addition, carburizing treatment is performed so that the
評価の結果、トルク値は被膜のないJIS SCM415よりなるリフタにおける一般的なトルク値より約43%低減できた。しかし冠面23の被膜において一部剥離が確認された。
As a result of the evaluation, the torque value was reduced by about 43% from a general torque value in a lifter made of JIS SCM415 without a coating. However, partial peeling was confirmed in the coating on the
本比較例における被膜を自動車用カムリフタ22に適用した場合、トルク値が減少するためカム24との摺動負荷を減少させることができる。しかし、被膜が一部剥離したため被膜の低摩擦性能を継続的に活かすことができない。その結果、長期にわたりエネルギー効率の高い自動車を提供できない。
When the coating in this comparative example is applied to the
〔比較例3〕
JIS SCM415よりなる円板基材2の表面が、HRC58以上となるように浸炭処理を施し、Ra0.1μm 以下に仕上げ加工した後、不活性ガスと炭化水素ガスとを導入しながらUBMS法で被膜3のアルミニウム元素の含有量が5.94at% となるように成膜を実施した。
[Comparative Example 3]
Carburizing treatment is performed so that the surface of the
成膜後の被膜3のRaは、0.021μmであった。被膜3のヤング率は、193.0
GPaであった。また、被膜3と金属ボール14との摩擦試験において、摩擦係数は
0.602、被膜3の剥離荷重は98Nであった。
Ra of the
It was GPa. In the friction test between the
本比較例における硬質炭素被膜を無潤滑環境下で摺動させた場合、被膜のない鋼材同士や従来の表面処理材に比べて摩擦係数を低減することはできない。そのため、摺動部材が関わる機械装置への負荷を低減できず、その結果、エネルギー効率の高い機械装置を提供することはできない。また、本比較例の被膜は無潤滑環境下での摺動に対応していないため、潤滑油を使用している機械装置の摺動部分において潤滑油が枯渇した場合の機械装置としての信頼性向上に貢献できず、また、潤滑油の削減を図ることができないため、環境にやさしい機械装置を提供することはできない。 When the hard carbon film in this comparative example is slid in a non-lubricated environment, the friction coefficient cannot be reduced as compared with steel materials without a film or conventional surface treatment materials. Therefore, it is not possible to reduce the load on the mechanical device related to the sliding member, and as a result, it is not possible to provide a mechanical device with high energy efficiency. In addition, since the coating of this comparative example does not support sliding in a non-lubricated environment, the reliability as a mechanical device when the lubricating oil is depleted in the sliding portion of the mechanical device using the lubricating oil Since it cannot contribute to improvement and cannot reduce the lubricating oil, it cannot provide an environmentally friendly mechanical device.
〔比較例4〕
JIS SCM415よりなる円板基材2の表面が、HRC58以上となるように浸炭処理を施し、Ra0.1μm以下に仕上げ加工した後、不活性ガスと炭化水素ガスとを導入しながらUBMS法で被膜3のアルミニウム元素の含有量が11.52at%となるように成膜を実施した。
[Comparative Example 4]
Carburizing treatment is performed so that the surface of the
成膜後の被膜3のRaは、0.019μmであった。被膜3のヤング率は、80.90
GPaであった。また被膜3と金属ボール14との摩擦試験において、摩擦係数は0.080、被膜3の剥離荷重は392Nであった。
Ra of the
It was GPa. In the friction test between the
本比較例における硬質炭素被膜を無潤滑環境下で摺動させた場合、耐剥離性は劣っているが摩擦係数は低い。低荷重領域での摺動においては有効であるが、高荷重領域での摺動においては必ずしも有効であるとはいえない。 When the hard carbon film in this comparative example is slid in an unlubricated environment, the peel resistance is inferior but the friction coefficient is low. Although effective in sliding in a low load region, it is not necessarily effective in sliding in a high load region.
つまり、摺動部材が関わる機械装置への負荷を低減できず、その結果エネルギー効率の高い機械装置を提供することが困難である。また、潤滑油の削減を図れる効果が小さいため、環境にやさしい機械装置を提供することはできない。 That is, it is difficult to reduce the load on the mechanical device involving the sliding member, and as a result, it is difficult to provide a mechanical device with high energy efficiency. In addition, since the effect of reducing the lubricating oil is small, it is not possible to provide an environmentally friendly mechanical device.
本発明は、無潤滑環境下および水,有機溶剤,燃料,油潤滑環境下で使用される摺動部材に適用できる硬質炭素被膜に関するものである。 The present invention relates to a hard carbon coating that can be applied to a sliding member used in a non-lubricated environment and in a water, organic solvent, fuel, and oil lubricated environment.
1…試験片、2…円板基材、3…硬質炭素被膜、11…摩耗試験機、12…回転軸、
13…ワークテーブル、14…金属ボール、15…スプリング、16…ホルダ、17…モータ、18…ロードセル、21…模擬試験装置、22…自動車用カムリフタ、23…冠面、24…カム、25…エンジンオイル。
DESCRIPTION OF
DESCRIPTION OF
Claims (7)
前記硬質炭素皮膜の表面に露出したアルミニウム元素を、大気中の酸素や水と反応させて、アルミニウム酸化物および/またはアルミニウム水酸化物を形成することを特徴とする摺動部材の製造方法。 On the substrate, a hard carbon film composed of a diamond-like carbon film containing an aluminum element of 0.5 at% or more and 4.5 at% or less is formed by an unbalanced magnetron sputtering (UBMS) method,
A method for producing a sliding member, wherein an aluminum element exposed on the surface of the hard carbon film is reacted with oxygen or water in the atmosphere to form aluminum oxide and / or aluminum hydroxide.
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